人工制備結構性土孔隙比精細化評價方法研究

王智超，朱棟煒，彭慧良，鄭軍星

人工制備結構性土孔隙比精細化評價方法研究

王智超1, 2，朱棟煒2，彭慧良2，鄭軍星2

(1. 湘潭大學 巖土力學與工程安全湖南重點實驗室，湖南 湘潭 411105；2. 湘潭大學 土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105)

針對當前人工制備結構性土未考慮水泥水化對土樣孔隙比的影響，且未對人工制備試樣實際孔隙與目標孔隙比的一致性比加以驗證的問題，重點研究人工制備大孔隙結構性土的實際孔隙比演化特征。通過采用尿素作為形成大孔隙結構性土的添加料，制備了2種不同孔隙比(1.5，1.7)和不同水泥含量(4%，6%)的結構性土，細致分析水泥水化產物及水浴滲透作用對試樣實際孔隙比的影響，探討試樣在恒溫水浴7，10，15 和20 d時由滲透作用引起的實際孔隙比偏差變化規律，并給出了將人工制備結構性土實際孔隙比控制在合理范圍的方案。研究結果表明：水浴時間為7 d時，試樣實際孔隙比低于設計孔隙比，孔隙比偏差最高達到4%，若忽略這種偏差，將導致夸大人工制備結構性土的結構性以及組構的影響；通過合理控制人工制備結構性土的水浴時間為10 d時，其孔隙比偏差在6‰內，可作為孔隙比偏差合理范圍值。

結構性土；人工制備；實際孔隙比；孔隙比偏差；水浴滲透作用

軟黏土在沿海、湖泊、內河兩岸等地區分布廣泛，其結構性研究已成為土力學研究的核心問題之一。結構性土區分于重塑土的兩大基本特征是土顆粒之間的膠結作用和大孔隙骨架結構，為了深入了解土體結構性的機理及物理力學特征，眾多學者采用人工制備結構性土的方式對其開展研究。在人工結構性土制備過程中，常通過添加水泥的方式對結構性土體顆粒間膠結作用進行表征，如凌道盛等[1?3]提出通過在黏土中加入水泥和食鹽進行結構性土的制備；蔣明鏡等[4]提出采用將原料土、冰粒和水泥混合的方法制備人工結構性土；Bharati等[5]將新加坡海積土和銅渣、水泥等混合制備得到人工結構性土；鄭軍星[6]將淤泥原料土、高嶺土、水泥和尿素按一定比例混合進行人工結構性土的制備。上述制備方法均較好地復現了土體的結構性特征，并初步表明水泥化學反應產物可較好地使得土顆粒之間產生膠結。值的注意的是，在針對人工結構性土試樣孔隙比進行計算時，其固體顆粒體積常認為由原料土顆粒體積、水泥顆粒體積以及其他不溶于水的外摻劑顆粒體積組成，而在制備過程中，水泥將產生顯著的化學反應，最終所得到的結構性土試樣中應含有復雜的水泥化學反應后產物而并非水泥?？紫槊鞯萚7]認為水泥水化硅相反應后生成C-S-H凝膠、氫氧化鈣晶體CH；Jansen等[8]認為水泥水化鋁相反應具備溶解與沉淀過程最終形成鈣礬石、氫氧化鈣等晶體；錢覺時等[9]曾指出鈣礬石晶體(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)是常用硅酸鹽水泥的重要水化產物，占水化產物總量的50%～60%，從分子式可以看出鈣礬石晶體含32水分子，表明水泥水化產物與水泥之間的物理性質存在顯著差異。由以上論述可知，在人工結構性土制備過程中，水泥經復雜的化學反應后最終轉變為水泥化學反應產物，定量化表征該變化對所制備試樣孔隙比的影響，是保證人工制備土樣孔隙比可控的重要手段。目前，雖有許多學者通過添加水泥的方式成功制備了結構性土試樣，但其均未針對試樣實際孔隙比與目標孔隙比的一致性比加以驗證。對于結構性土而言，其初始孔隙比與其物理力學行為密切相關，李建紅等[10]曾指出結構性土的初始剪切模量與結構性土的初始孔隙比有很大關系，孔隙比越小初始變形模量就越大；Leroueil等[11]認為初始孔隙比對結構性土的力學特性有著及其重要的影響；劉維正[12]指出天然結構性性軟黏土其動強度隨初始孔隙比的減小而增大；王麗琴等[13]指出結構性黃土壓縮曲線具有被其初始孔隙比和壓縮屈服應力歸一化的特性；根據結構性土一維壓縮試驗曲線特征，LIU等[14?15]先后提出了以孔隙比變化Δe作為結構性評價指標的理想壓縮模型，這種方法已被廣泛應用于結構性土本構模型。為進一步明晰人工制備結構性土過程中水泥性質的變化對試樣實際孔隙比的影響，本文基于前人所采用的通過添加水泥制備人工結構性土的方法，重點研究了人工制備結構性土試樣的孔隙比特征，并結合制備過程中水泥產生了顯著化學反應的特點，定量化分析了設計孔隙比與實際孔隙比的差異，進一步結合滲透原理對試樣實際孔隙比與水浴時間的關聯性進行了深入探討。

1 結構性土制備及孔隙比測定

1.1 大孔隙結構性土制樣方法

本文采用的大孔隙結構性土制備方法，重點關注膠結和孔隙比兩大基本特征，采用淤泥土、早強325R水泥、高嶺土和尿素材料混合制成以模擬天然結構性土。在混合料中添加高嶺土主要為了增加人工土的黏性及細粒比例，水泥為了模擬顆粒之間的膠結作用，通過改變水泥的添加量，從而調節顆粒間膠結強度。尿素是一種易溶于水的無機鹽，所以尿素顆粒在水化后形成大孔隙結構。制樣過程 如下：

1) 碾散過篩：將風干的淤泥原料土、高嶺土和水泥碾碎過0.5 mm篩，為了模擬結構土均勻大孔隙，尿素碾碎粒徑控制在1～2 mm之間。

2) 配料：根據設計孔隙比與膠結含量，將原料土、高嶺土、水泥和尿素按一定配合比混合均勻。

3) 制樣：根據土工規范，控制混合料水解前初始干密度(1.35 g/cm3)，在尺寸為76.2 mm×20 mm的環刀中用擊實器單層擊實成型。

4) 水浴養護：將擊實成型的土樣放入飽和真空桶內抽真空2個小時，注水養護一天以后，將試樣轉放至恒溫水浴池中進行水浴養護。

1.2 不同設計孔隙比結構性土配比方案

通過調節試樣各原材料摻量制備不同設計孔隙比的環刀試樣，環刀體積為91.2 cm3。本研究制備了2種不同孔隙比(1.5，1.7)和不同水泥含量(4%，6%)的結構性土。在實施過程中控制混合料水解前初始干密度1.35 g/cm3。具體配比如表1所示。

表1 不同孔隙比及水泥含量配比方案

人工制備結構性土的設計孔隙比0定義為

式中：1為環刀體積；1為各原材料所占體積，即

其中：1，2和3分別為淤泥土、高嶺土以及配比325 R水泥質量；1，2和3分別為三者的比重，依次測得為2.715，2.621和3.130。

1.3 實際孔隙比測定方案

考慮到原料土和高嶺土與水不會發生化學反應，故水浴前后物理性質不變，只有水泥水化反應會發生性質改變。為準確測定人工制備結構性土試樣孔隙比實際值，首先對相同孔隙比不同水泥含量的結構性土試樣進行溫水水浴及烘干處理，研究水泥水化作用對其孔隙比的影響。試驗采用摻加不同水泥含量來模擬土體膠結元，在孔隙比1.5，1.7的前提下分別添加質量分數為4%，6%水泥制成膠結元含量不同的土樣。為測得土樣設計孔隙比與實際孔隙比的偏差，一方面將配置好的試樣進行抽真空處理及溫水水浴7，10，15和20 d在設置100 ℃的烘箱中烘干并稱重。另一方面稱取50 g水泥置于清水中讓其也水化7，10和15 d，期間保持對水泥進行間斷性攪拌避免水泥膠結成塊而影響水化程度，最后在100 ℃的條件下烘干，經研磨過篩(0.5 mm)處理用比重瓶測其比重。通過精確測得原配方各物質的含量和水泥水化后質量的變化值以及水泥水化后的比重，從而計算獲得試樣實際孔隙比，具體方案如表2所示。

表2 試驗方案

考慮水泥水化效應后，人工制備結構性土的實際孔隙比計算公式如式(3)所示，孔隙比偏差公式如式(6)所示：

式中：1為試樣實際孔隙比；2為水浴后試樣各原材料所占體積；4為水泥水化產物質量；0為試樣總質量。

2 試驗結果分析及討論

2.1 實際孔隙比

將純水泥試樣水浴7，10和15 d時間后分別烘干并稱重，并測量其實際比重，試驗表明水浴7，10和15 d的水泥水化產物比重差距幾乎一致(相差為0.000 1)，說明水泥水浴時間為7 d以上時水浴時間不影響水化產物比重。取水浴7 d水泥水化產物比重試驗具體數據為參考，見表3，經計算水泥水化產物的比重為2.384。

表3 水泥水化產物比重

與純水泥相比(比重3.13)，其水化產物比重值降低了0.746。試樣在水浴時間為7 d時水泥水化產物質量大于配比時水泥含量，試樣烘干質量等具體數據如表4所示，并利用式(3)和式(6)可分別獲得各試樣的實際孔隙比和孔隙比偏差。

表4 水浴時間7 d各配比試樣實際孔隙比及偏差

從表4可看出，實際孔隙比小于設計孔隙比且孔隙比偏差最高達到了?4%。以設計孔隙比=1.5水泥含量4%水浴時間7 d的結構性土為例，當以孔隙比設計值代替實際值時在一維壓縮試驗-曲線上的繪制如圖1所示，盡管二者變化趨勢一樣，但不能客觀表征結構性土的結構性特征，其偏差從某種程度上夸大了結構性土的結構性以及組構的影響。

2.2 孔隙比偏差成因

水泥水化過程十分復雜，具有多種水化產物并結晶一部分水，產物一部分形成凝膠模擬土體中的膠結元，由化學反應生產的另一部分產物如氫氧化鈣、鈣礬石等晶體在水浴過程中以懸浮的形式存在于土體內部孔隙中。水化產物本身的物理性質也伴隨著發生改變，最直接的表現為，與純水泥相比其水化產物比重值降低了0.746，其次為水泥水化過程會結合大量水分子則產物質量增加，從而使得配比時所用水泥在試樣內部所占的體積與養護后水泥水化產物在試樣內部所占的體積不一致，導致孔隙比出現偏差。試驗中在水浴7 d前提下，水化產物所占體積大于配比時水泥所占體積，實際孔隙比小于設計孔隙比。

圖1 孔隙比偏差4%時e-p曲線

2.3 水浴時間對孔隙比偏差的影響

通過整理得到水浴10，15和20 d的試樣烘干質量，可以得到水化產物質量，進而能得到實際孔隙比，具體數據如表5所示，由于水浴20 d試樣經烘干處理后其質量與水浴15 d試樣烘干質量幾乎一致，所以各項指標可參考水浴15 d試樣。與水浴時間為7 d下的結構性土對比，試樣中水化產物的變化趨勢呈現負增長，在7～10 d時水泥水化產物質量下降較明顯，當水浴時間到10 d以后其質量變化不明顯，如圖2所示。

繪制孔隙比隨水浴時間的關系曲線如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，孔隙比實際值整體呈現增長趨勢，且在7～10 d的增長幅度較明顯，到10 d以后增長幅度很小。隨著實際孔隙比的增長且接近設計孔隙比，孔隙比偏差(如圖3(b))也呈減小趨勢并接近于0值。這表明人工制備結構性土在到達一定水浴時間后孔隙比偏差受時間的影響可以近似忽略。

表5 水浴時間10 d和15 d各配比試樣實際孔隙比及偏差

圖2 水泥水化產物質量隨水浴時間的變化趨勢

進一步分析圖3(b)可以發現：當水浴時間延長至15 d和20 d時各數據與水浴10 d各數據基本接近，兩者與水浴10 d時孔隙比偏差保持在1‰以內，由此可知當試樣養護到10 d以后試樣內水化產物隨水浴時間的推移變化很小。若將水泥水化量與孔隙比偏差關系繪制成圖，如圖4所示。從圖4可以發現，合理調控水泥水化產物能減小人工制備結構性土的實際孔隙比與設計孔隙比的偏差。

2.4 水浴時間對孔隙比偏差影響機制分析

由上述對結構性土在不同水浴時間下各物理指標的變化可知，隨著水浴時間的延長試樣中水化產物減少，孔隙比偏差減小，且到達一定水浴時間后孔隙比偏差受水浴時間的影響非常小。水泥在結構性土試樣水浴時表現為：水泥水化反應一部分形成凝膠(水化硅酸鈣膠體)模擬結構性土的膠結元，同時也有氫氧化鈣晶體(Ca(OH)2)、水化石榴石(3CaO·Al2O3·6H2O)、鈣礬石等晶體產生，這些晶體在水浴侵泡時懸浮參雜在土體內部孔隙之間，且不會與土顆粒黏合。由于恒溫水浴池中的清水與土體孔隙水的濃度不一樣則會發生滲透作用，使得水浴池中的水與孔隙水之間保持一種微流動關系，氫氧化鈣等晶體隨著水流動被析出，從而減少了水泥水化產物在土體內的含量，增大了孔隙在試樣中所占比例。事實上，滲透作用從試樣水浴的第一天就開始發生，由于試樣孔隙絕大部分被尿素填充，所以在水浴過程中的前3 d左右主要使尿素溶解析出留出孔隙。在水浴7 d這段時間內，由于滲透作用對水泥水化產物中各晶體的析出量偏少，土體內孔隙所占比例達不到設計要求，孔隙比偏差過大，導致孔隙比實際值小于設計值。通過延長水浴時間(即滲透作用時間)使得晶體析出量增大，從而增加土體內孔隙所占比例，最終可使試樣實際孔隙比精度達到設計要求。由于水化產物中能被析出的晶體為一定值，水石榴石晶體隨水化時間的推移體積會增長，并且鈣礬石被析出后黏附在環刀試樣周邊。這些條件的產生增加了水化產物析出的難度，所以當水浴時間延長至10 d后，孔隙比實際值變化非常小。

2.5 孔隙比精度可控性探討

由圖4中可得出，各配比試樣隨著水泥水化產物含量的增加試樣孔隙比偏差越大。以設計孔隙比0=1.5水泥含量6%的試樣為例，當水泥水化產物含量為4.32時試樣孔隙比偏差為0.39%，當水泥水化產物為6.28時試樣孔隙比偏差為?3.3%。由此可知，在水化產物含量與孔隙比偏差關系中必然存在一點使得孔隙比偏差為0，當孔隙比偏差為0時試樣中水泥水化產物所占體積與配比時水泥在試樣中所占體積相等，即通過滿足如下關系，來對試樣的實際孔隙比進行精確調控：

圖4 水泥水化產物與孔隙比偏差關系

利用式(7)，可求出設計孔隙比0=1.5水泥含量6%且實際孔隙比偏差為0時，水泥水化產物含量理想值應為4.516。同理可求出0=1.5水泥含量4%，0=1.7水泥含量4%試樣的零偏差點水泥水化產物含量理想值應分別為3.008和2.764。由圖2可知，當合理控制試樣水浴時間時(例如9～10 d)，結構性土試樣的水化產物質量均能調控至理想值附近。

由于將人工制備結構性土孔隙比精度控制在偏差為0所對應的水浴時間不易掌控，且考慮到批量化制備大孔隙結構性土需水浴保存，有必要優化水浴時間使其孔隙比偏差控制在合理范圍，并檢驗其可靠性。由表5可知，水化產物析出量趨于穩定后孔隙比偏差最大值為0.58%(水浴15 d時0=1.5水泥含量6%試樣)則以此為驗證合理范圍依據，分別采用逐步調整水浴時間在9～10 d，對設計孔隙比0=1.5水泥含量6%的結構性土試樣制備了實際孔隙比偏差分別為≥?6‰和0 2種試樣，水浴15 d時為≤6‰的試樣，并分別對其開展一維壓縮試樣，得到其-曲線如圖5所示。從圖中可以發現，實際孔隙比偏差6‰時與零偏差對應的結構性變形特征吻合良好，則證明孔隙比偏差在6‰以內可作為孔隙比偏差控制的合理范圍值。可見，這為后續批量制備孔隙比可控的大孔隙結構性土打下了堅實基礎。

圖5 孔隙比偏差6‰下的e-p曲線對比

3 結論

1) 實測發現人工制備結構性土在水浴時間為7 d時，試樣實際孔隙比低于設計孔隙比，孔隙比偏差最高達到4%，水泥水化因素對土體實際孔隙比具有不可忽略的影響。若忽略這種偏差，將導致夸大人工制備結構性土的結構性以及組構的影響。

2) 利用滲透作用，合理控制人工制備結構性土的水浴時間，可降低實際孔隙比與設計值之間的偏差，且存在一個水浴時間點使得孔隙比偏差為0，驗證了孔隙比偏差在6‰內時，可作為孔隙比偏差合理范圍值。

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Refinement evaluation method of pore ratio of artificial preparation structural soil

WANG Zhichao1, 2, ZHU Dongwei2, PENG Huiliang2, ZHENG Junxing2

(1. Hunan Key Laboratory of Geomechanics and Engineering Safety, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. School of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

In view of the fact that the influence of cement hydration on the pore ratio of soil samples is not considered in the current artificial preparation of structural soil, and the consistency ratio between the actual pore ratio and the target pore ratio of artificially prepared samples is not verified, this paper focused on the evolution characteristics of the actual pore ratio of artificially prepared structural soil with large pores. Large pore structural soil was formed by using urea as additive, and was prepared by two different pore ratio (1.5, 1.7) and cement content (4%, 6%) of structural soil. Detailed analysis of the cement hydration products on the effect of the real sample void ratio was discussed, as well as the trends of changes in actual void ratio deviation when the specimens were subjected to the thermostatic water bath for 7 d, 10 d, 15 d and 20 d, and the actual and artificial preparations of structural soil void ratio control in a reasonable range were presented. The research results show that: 1) when the water bath time is 7 d, the actual pore ratio of the sample is lower than the designed pore ratio, and the deviation of pore ratio is up to 4%. If such deviation is ignored, the influence of the structure and fabric of the artificially prepared structural soil will be exaggerated; 2) when the water bath time for artificial preparation of structural soil is 10 d, its pore ratio deviation is within 6‰, which can be taken as a reasonable range of pore ratio deviation.

structural soil; artificial preparation; actual pore ratio; void ratio deviation; curing osmosis

TU411

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3081 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200129

2020?02?20

湖南省教育廳優秀青年項目(17B260)；湖湘高層次人才聚集工程—創新團隊(2019RS1059)

王智超(1980?)，男，湖北荊州人，副教授，博士，從事巖土流變學的研究；E?mail：wzc98231@163.com

(編輯 涂鵬)